本發(fā)明涉及航天遙感衛(wèi)星領(lǐng)域，尤指一種衛(wèi)星遙感傳感器在軌輻射定標(biāo)方法。

背景技術(shù)：

目前受單臺(tái)高分辨率相機(jī)幅寬限制，衛(wèi)星無(wú)法同時(shí)獲取大范圍高分辨率衛(wèi)星影像，常采用多相機(jī)拼接成像技術(shù)，將多臺(tái)高分辨率相機(jī)沿垂軌方向安置，實(shí)現(xiàn)高分辨率與寬覆蓋的結(jié)合。例如，gf-1衛(wèi)星寬幅蓋wfv傳感器采用4臺(tái)相機(jī)拼接成像技術(shù)，如圖1所示，其能夠獲取空間分辨率為16m，幅寬優(yōu)于800km的衛(wèi)星影像。

然而，由于傳感器在衛(wèi)星發(fā)射時(shí)及發(fā)射后受周圍環(huán)境、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等變化的影響，傳感器性能會(huì)發(fā)生一定程度的衰變，導(dǎo)致發(fā)射前實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)結(jié)果與傳感器在軌輻射性能有所差異。因此只有及時(shí)的、長(zhǎng)期的開(kāi)展在軌輻射定標(biāo)工作才能監(jiān)測(cè)傳感器輻射性能變化，評(píng)估其輻射質(zhì)量，確保地物時(shí)相變化信息不會(huì)因傳感器輻射性能衰變而被淹沒(méi)。

目前，已經(jīng)有許多研究學(xué)者構(gòu)建了相關(guān)在軌輻射定標(biāo)模型。例如，xiong等人采用星上定標(biāo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)modis傳感器高頻次、高精度的在軌輻射定標(biāo)。韓啟金等人采用反射率基法獲取我國(guó)陸地資源衛(wèi)星傳感器在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)。biggar等人采用輻亮度基法實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星傳感器輻射定標(biāo)。胡秀清等人采用輻照度基法實(shí)現(xiàn)了對(duì)fy-1c氣象衛(wèi)星可見(jiàn)/近紅外通道的絕對(duì)輻射定標(biāo)。徐偉偉等人通過(guò)布設(shè)多種反射率的人工靶標(biāo)，利用輻照度基法實(shí)現(xiàn)了cbers-02b衛(wèi)星hr相機(jī)的在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)。彭光雄等人通過(guò)分析landsat5tm和cbers-2ccd影像對(duì)的dn值相關(guān)性后，基于tm表觀輻亮度信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)ccd傳感器的交叉定標(biāo)研究。徐文斌等人將敦煌輻射校正場(chǎng)作為輻射傳遞平臺(tái)，以超光譜成像儀hyperion為參考傳感器，考慮視場(chǎng)、時(shí)相、幾何和光譜等交叉匹配因素，實(shí)現(xiàn)了對(duì)modis傳感器的交叉定標(biāo)。yang等人利用資源三號(hào)tlc傳感器立體影像對(duì)，獲取研究區(qū)dem數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上利用該區(qū)域多時(shí)相l(xiāng)andsat8衛(wèi)星oli影像獲取地表brdf參數(shù)，進(jìn)而完成與gf-1衛(wèi)星wfv傳感器的交叉定標(biāo)。

雖然，利用現(xiàn)有輻射定標(biāo)方法可以獲取各相機(jī)在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)，但是利用其系數(shù)對(duì)同軌各相機(jī)影像進(jìn)行絕對(duì)輻射校正后，發(fā)現(xiàn)相鄰相機(jī)影像間輻射信息存在較大差異。該差異會(huì)導(dǎo)致多相機(jī)拼接成像傳感器的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)無(wú)法充分發(fā)揮，進(jìn)而影響該傳感器影像整體定量化應(yīng)用效果，降低衛(wèi)星數(shù)據(jù)利用率和市場(chǎng)占有率。因此，本發(fā)明以gf-1衛(wèi)星寬覆蓋wfv傳感器四相機(jī)拼接成像為例，將輻射區(qū)域網(wǎng)平差方法引入到星載多相機(jī)拼接成像傳感器在軌輻射定標(biāo)方法研究之中，構(gòu)建新的在軌輻射定標(biāo)模型，實(shí)現(xiàn)多相機(jī)拼接成像傳感器在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)與相機(jī)間相對(duì)輻射校正的一體化處理，最終提高該類型傳感器影像定量化應(yīng)用水平。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有傳感器在軌輻射定標(biāo)算法無(wú)法實(shí)現(xiàn)多相機(jī)拼接成像傳感器在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)與相機(jī)間相對(duì)輻射校正的一體化處理，本發(fā)明提出了一種基于輻射區(qū)域網(wǎng)平差理論的星載多相機(jī)拼接成像傳感器在軌輻射定標(biāo)方法，可以獲取能夠完成傳感器相機(jī)間相對(duì)輻射校正的高精度在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)。

本發(fā)明提出了一種衛(wèi)星遙感傳感器在軌輻射定標(biāo)方法，其特征在于，包括以下步驟：

1).以敦煌輻射校正場(chǎng)為輻射傳遞平臺(tái)，獲取用于基于單一均勻區(qū)域、不同時(shí)相的時(shí)間序列多點(diǎn)法交叉定標(biāo)的數(shù)據(jù)，將其作為輻射控制點(diǎn)信息；

2).采用基于dem輔助的rfm區(qū)域網(wǎng)平差方法，消除同軌相鄰相機(jī)影像間兒何錯(cuò)位；

3).設(shè)置一定大小的移動(dòng)分析窗口，在同軌影像重疊區(qū)域搜索光譜均勻地物位置，進(jìn)而獲取其在相鄰兩景影像中的dn值信息，將其作為輻射連接點(diǎn)數(shù)據(jù)；

4).根據(jù)輻射區(qū)域網(wǎng)平差理論，建立附有限制條件的間接平差誤差方程，構(gòu)建基于輻射區(qū)域網(wǎng)平差的星載多相機(jī)拼接成像傳感器在軌輻射定標(biāo)模型。

進(jìn)一步，該方法還包括步驟5)利用構(gòu)建的定標(biāo)模型，采用最小二乘方法獲取各相機(jī)在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)。

進(jìn)一步，其特征在于，步驟1)具體為：采用基于單一均勻區(qū)域、不同時(shí)相的時(shí)間序列多點(diǎn)法交叉定標(biāo)方法，以輻射性能較高的modis影像為參考基準(zhǔn)，將敦煌輻射校正場(chǎng)作為傳遞平臺(tái)，獲取各相機(jī)長(zhǎng)時(shí)間序列的有效影像對(duì)數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步，其特征在于，步驟2)具體為：將srtm90mdem作為高程約束條件，采用基于dem輔助的rfm區(qū)域網(wǎng)平差方法，消除同軌影像間幾何錯(cuò)位問(wèn)題。

進(jìn)一步，其特征在于，步驟3)具體為：在同軌影像重疊區(qū)域設(shè)置一定大小的移動(dòng)分析窗口，搜索重疊區(qū)域內(nèi)光譜均勻區(qū)域，選取差異系數(shù)cv(coefficientofvariation)即該區(qū)域dn值標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值小于預(yù)先設(shè)定閾值的區(qū)域，將其dn值均值作為輻射連接點(diǎn)信息。

進(jìn)一步，其特征在于，步驟4)具體為：根據(jù)各波段輻射控制/連接點(diǎn)信息，基于輻射區(qū)域網(wǎng)平差理論，由輻射控制點(diǎn)信息列立誤差方程，由輻射連接點(diǎn)信息列立限制條件方程，構(gòu)建基于輻射區(qū)域網(wǎng)平差理論的在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)模型。

進(jìn)一步，其特征在于，步驟5)具體為：基于上述定標(biāo)模型，利用最小二乘方法獲取各相機(jī)不同波段的在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)。

本發(fā)明的基于輻射區(qū)域網(wǎng)平差理論的在軌輻射定標(biāo)方法可以實(shí)現(xiàn)星載多相機(jī)拼接傳感器各相機(jī)在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)與相機(jī)間相對(duì)輻射校正的一體化處理，除了可以得到高精度在軌輻射定標(biāo)系數(shù)外，還有許多優(yōu)勢(shì)，如方法簡(jiǎn)單、處理速度快、結(jié)果更新方便、等等。

附圖說(shuō)明

圖1為wfv傳感器成像示意圖；

圖2為在軌輻射定標(biāo)流程圖；

圖3為輻射控制點(diǎn)(三角形)與輻射連接點(diǎn)(十字形)分布示意圖；

圖4a為wfv1與wfv2相機(jī)影像重疊區(qū)域第一波段表觀輻亮度差異的絕對(duì)值；

圖4b為wfv1與wfv2相機(jī)影像重疊區(qū)域第二波段表觀輻亮度差異的絕對(duì)值；

圖4c為wfv1與wfv2相機(jī)影像重疊區(qū)域第三波段表觀輻亮度差異的絕對(duì)值；

圖4d為wfv1與wfv2相機(jī)影像重疊區(qū)域第四波段表觀輻亮度差異的絕對(duì)值；

圖5a為wfv2與wfv3相機(jī)影像重疊區(qū)域第一波段表觀輻亮度差異的絕對(duì)值；

圖5b為wfv2與wfv3相機(jī)影像重疊區(qū)域第二波段表觀輻亮度差異的絕對(duì)值；

圖5c為wfv2與wfv3相機(jī)影像重疊區(qū)域第三波段表觀輻亮度差異的絕對(duì)值；

圖5d為wfv2與wfv3相機(jī)影像重疊區(qū)域第四波段表觀輻亮度差異的絕對(duì)值；

圖6a為wfv3與wfv4相機(jī)影像重疊區(qū)域第一波段表觀輻亮度差異的絕對(duì)值；

圖6b為wfv3與wfv4相機(jī)影像重疊區(qū)域第二波段表觀輻亮度差異的絕對(duì)值；

圖6c為wfv3與wfv4相機(jī)影像重疊區(qū)域第三波段表觀輻亮度差異的絕對(duì)值；

圖6d為wfv3與wfv4相機(jī)影像重疊區(qū)域第四波段表觀輻亮度差異的絕對(duì)值；

圖7a為wfv1與wfv2相機(jī)原始影像；

圖7b為2013年官方定標(biāo)系數(shù)輻射校正結(jié)果；

圖7c為2014年官方定標(biāo)系數(shù)輻射校正結(jié)果；

圖7d為本發(fā)明定標(biāo)系數(shù)輻射校正結(jié)果；

圖8a為wfv2與wfv3相機(jī)原始影像；

圖8b為2013年官方定標(biāo)系數(shù)輻射校正結(jié)果；

圖8c為2014年官方定標(biāo)系數(shù)輻射校正結(jié)果；

圖8d為本發(fā)明定標(biāo)系數(shù)輻射校正結(jié)果；

圖9a為wfv3與wfv4相機(jī)原始影像；

圖9b為2013年官方定標(biāo)系數(shù)輻射校正結(jié)果；

圖9c為2014年官方定標(biāo)系數(shù)輻射校正結(jié)果；

圖9d為本發(fā)明定標(biāo)系數(shù)輻射校正結(jié)果；

具體實(shí)施方式

如圖2所示本發(fā)明的一種衛(wèi)星遙感傳感器在軌輻射定標(biāo)方法包括輻射控制點(diǎn)信息獲取、影像間幾何錯(cuò)位消除、輻射連接點(diǎn)信息獲取、輻射區(qū)域網(wǎng)平差定標(biāo)模型構(gòu)建、最小二乘解算定標(biāo)系數(shù)。本發(fā)明以gf-1衛(wèi)星wfv傳感器為例，闡述基于輻射區(qū)域網(wǎng)平差的在軌輻射定標(biāo)方法過(guò)程。

1)輻射控制點(diǎn)信息獲取。以敦煌輻射校正場(chǎng)為研究區(qū)，收集該地區(qū)modis和wfv各相機(jī)長(zhǎng)時(shí)間序列有效影像對(duì)數(shù)據(jù)。其中，有效影像對(duì)篩選限制條件包括：a)相機(jī)在敦煌輻射校正場(chǎng)上空過(guò)境時(shí)，成像時(shí)間差不能超過(guò)1h；b)敦煌輻射校正場(chǎng)上空無(wú)云層覆蓋；c)wfv影像應(yīng)該覆蓋敦煌輻射校正場(chǎng)中心區(qū)域；d)敦煌輻射校正場(chǎng)不應(yīng)該位于modis影像左右邊緣處。

依據(jù)上述篩選條件，本發(fā)明首先進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索，得到了自衛(wèi)星發(fā)射后一年左右時(shí)間內(nèi)敦煌輻射校正場(chǎng)地區(qū)的有效影像對(duì)數(shù)據(jù)；其次獲取每對(duì)有效影像對(duì)中wfv影像敦煌輻射校正場(chǎng)中心區(qū)域的dn值均值；然后利用單一均勻區(qū)域、不同時(shí)相的時(shí)間序列多點(diǎn)法交叉定標(biāo)方法獲取由modis計(jì)算得到的對(duì)應(yīng)區(qū)域wfv影像表觀輻亮度信息；最后將dn值均值和表觀輻亮度信息作為輻射控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。

2)同軌相鄰相機(jī)影像間幾何錯(cuò)位消除。獲取與輻射控制點(diǎn)時(shí)相相近的其他區(qū)域wfv同軌四相機(jī)影像，針對(duì)wfv傳感器相鄰相機(jī)間弱交會(huì)成像情況，本發(fā)明采用基于dem輔助的rfm區(qū)域網(wǎng)平差方法，消除同軌相鄰相機(jī)影像間幾何錯(cuò)位，提高輻射連接點(diǎn)提取精度。

式中，vs和v1分別表示影像列和行方向的誤差，e0、e1、e2和f0、f1、f2為rfm像面仿射變換參數(shù)，和分別表示緯度和經(jīng)度的一階偏導(dǎo)數(shù)，(s，l)為經(jīng)過(guò)系統(tǒng)誤差補(bǔ)償后的像點(diǎn)坐標(biāo)，為利用rfm投影后的初始像面坐標(biāo)。

3)輻射連接點(diǎn)信息自動(dòng)提取。在消除幾何錯(cuò)位問(wèn)題后的同軌四相機(jī)影像重疊區(qū)域內(nèi)，設(shè)定156×156像素的移動(dòng)分析窗口，自動(dòng)搜索該重疊區(qū)域內(nèi)差異系數(shù)小于3％的光譜均勻區(qū)域，獲取該區(qū)域dn值均值，將其作為輻射連接點(diǎn)信息。

4)基于輻射區(qū)域網(wǎng)平差的定標(biāo)模型構(gòu)建。利用輻射控制點(diǎn)和輻射連接點(diǎn)信息，構(gòu)建基于輻射區(qū)域網(wǎng)平差的星載多相機(jī)拼接成像傳感器在軌輻射定標(biāo)模型。

例如，若wfv1、wfv2、wfv3和wfv4影像中分別含有m、n、p和q個(gè)輻射控制點(diǎn)，wfv1和wfv2、wfv2和wfv3、wfv3和wfv4影像里疊區(qū)域分別含有d、e和f個(gè)輻射連接點(diǎn)，則根據(jù)輻射區(qū)域網(wǎng)平差理論，可構(gòu)建第i波段的在軌輻射定標(biāo)模型，如公式(2)。其中系數(shù)矩陣a為(m+n+p+q+d+e+f)×8的矩陣，常數(shù)項(xiàng)l為(m+n+p+q+d+e+f)×1的列向量，未知數(shù)x為8×1的列向量，殘差值v為(m+n+p+q+d+e+f)×1的列向量。

v＝ax-l(2)

式中，和分別代表wfv1影像第i波段的第m個(gè)輻射控制點(diǎn)的dn值和表觀輻亮度，代表在wfv1和wfv2影像重疊區(qū)域內(nèi)，wfv1影像第i波段的第d個(gè)輻射連接點(diǎn)的dn值，和分別代表wfv1影像第i波段絕對(duì)定標(biāo)系數(shù)的增益和偏移量，其他符號(hào)具相似的含義。

5)求解在軌輻射定標(biāo)系數(shù)。根據(jù)上述構(gòu)建的輻射定標(biāo)模型，采用最小二乘原理求解x，如公式(3)，其定標(biāo)結(jié)果如表1所示。

x＝(a^ta)^-1a^tl(3)

表1基于輻射區(qū)域網(wǎng)平差的gf-1衛(wèi)星在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)

為了驗(yàn)證該系數(shù)的絕對(duì)定標(biāo)精度，本發(fā)明選取其他區(qū)域、不同時(shí)相的modis和wfv影像有效影像對(duì)數(shù)據(jù)，在每對(duì)影像中選取多種地物類型的光譜均勻區(qū)域作為檢查點(diǎn)，利用官方定標(biāo)系數(shù)和本發(fā)明獲得的定標(biāo)結(jié)果計(jì)算wfv影像表觀輻亮度信息，然后與相應(yīng)區(qū)域的modis影像表觀輻亮度信息進(jìn)行比對(duì)，利用公式(4)獲取相對(duì)誤差，如表2所示。

re＝abs(lwfv4-lmodis)/lmodis×100％(4)

式中，re代表相對(duì)誤差，lwfv4代表利用官方定標(biāo)系數(shù)和本發(fā)明獲得的定標(biāo)結(jié)果計(jì)算得到的wfv影像表觀輻亮度，lmodis為modis表觀輻亮度，abs()為絕對(duì)值函數(shù)。

表2在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)精度檢驗(yàn)結(jié)果

從表2中可以看出，采用基于輻射區(qū)域網(wǎng)平差的在軌輻射定標(biāo)方法可以獲取精度可靠的絕對(duì)定標(biāo)系數(shù)。

為了驗(yàn)證該系數(shù)的相機(jī)間相對(duì)輻射校正精度，本發(fā)明選取多組其他區(qū)域、不同時(shí)相的同軌wfv四相機(jī)影像，從同軌影像重疊區(qū)域提取光譜均勻區(qū)域，分別利用官方定標(biāo)系數(shù)和本發(fā)明結(jié)果計(jì)算其表觀輻亮度信息，統(tǒng)計(jì)其表觀輻亮度差異的絕對(duì)值，如表3和圖4a、4b、4c、4d、5a、5b、5c、5d、6a、6b、6c、6d所示。

表3相機(jī)間相對(duì)輻射校正結(jié)果統(tǒng)計(jì)

從表3中可以看出，與官方定標(biāo)結(jié)果相比，本發(fā)明所得定標(biāo)系數(shù)可以更好的實(shí)現(xiàn)相機(jī)間相對(duì)輻射校正。對(duì)于四個(gè)波段而言，與2013年官方定標(biāo)系數(shù)相比，wfv1和wfv2、wfv2和wfv3、wfv3和wfv4相機(jī)重疊區(qū)域輻射不一致性最高分別降低了87.93％、87.75％、93.3％和94.17％。與2014年官方定標(biāo)系數(shù)相比，其輻射不一致性最高分別降低了94.04％、94.21％、94.44％和90.54％。

另外，為了進(jìn)一步展示本發(fā)明所得定標(biāo)結(jié)果對(duì)相機(jī)間輻射不一致性的消除效果，隨機(jī)選取一組同軌wfv相機(jī)影像，其成像日期為2014年11月18日，在采用基于dem輔助的rfm區(qū)域網(wǎng)平差方法消除影像間幾何錯(cuò)位后，利用官方定標(biāo)系數(shù)和本發(fā)明定標(biāo)結(jié)果進(jìn)行輻射校正，獲取影像表觀輻亮度，選取局部區(qū)域進(jìn)行展示如圖7a、7b、7c、7d、8a、8b、8c、8d、9a、9b、9c、9d所示。

從結(jié)果中可以看出，與官方2013/2014年公布的定標(biāo)系數(shù)相比，利用本發(fā)明得到的定標(biāo)系數(shù)可以很好的消除影像間輻射不一致性問(wèn)題。綜上所述，與傳統(tǒng)在軌輻射定標(biāo)方法相比，本發(fā)明的構(gòu)建的定標(biāo)模型可以實(shí)現(xiàn)星載多相機(jī)拼接傳感器各相機(jī)在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)與相機(jī)間相對(duì)輻射校正的一體化處理。